Емкостной датчик давления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в различных областях. Цель: повышение технологичности и улучшение метрологических характеристик. Сущность изобретения: в емкостном датчике давления, содержащем корпус 1, упругий элемент 2 с электродами 3 и 4 и контактными площадками, закрепленную с зазором пластину 6 с электродами 7 и 8 и контактными площадками и размещенные на контактных площадках на одинаковых расстояниях от зон закрепления пластины 6 и упругого элемента 2 выводные проводники 11, согласно изобретению по периферии упругого элемента 2 и пластины 6 в зонах закрепления размещены экраны в виде кольцевых фрагментов 12; за одно целое с каждым фрагментом 12, по обе стороны от зоны закрепления выполнены полоски 13, жестко закрепленные на боковой поверхности упругого элемента 2 или пластины 6. На экранах 12 выполнены гофры 14, высота которых равна величине зазора между пластиной б и упругим элементом 2 в областях отсутствия контактных площадок. Экраны 12 выполнены из материала, присадочного к материалам упругого элемента 2 и пластины 6, а наружный радиус кольцевых фрагментов равен наружным радиусам упругого элемента 2 и пластины 6. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 G 01 1 9/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4891514/10 (22) 17,12.90 (46) 23.02,93. Бюл, ¹ 7 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Е.М. Белозубов (56) Патент США № 4562742, кл. 6 01 9/12, 1986, Авторское свидетельство СССР

¹ 1652839, кл. G 01 1 9/12, 1991, (54) ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в различных областях.

Цель: повышение технологичности и улучшение метрологических характеристик.

Сущность изобретения: в емкостном датчике давления, содержащем корпус 1, упругий элемент 2 с электродами 3 и 4 и контактными площадками, закрепленную с зазором пластину 6 с электродами 7 и 8 и контактны„„ .Ж„„1796931 А1 ми площадками и размещенные на контактных площадках на одинаковых расстояниях от зон закрепления пластины 6 и упругого элемента 2 выводные проводники 11, согласно изобретению по периферии упругого элемента 2 и пластины 6 B зонах закрепления размещены экраны в виде кольцевых фрагментов 12; за одно целое с каждым фрагментом 12, по обе стороны от зоны закрепления выполнены полоски 13, жестко закрепленные на боковой поверхности упругого элемента 2 или пластины 6. На экранах 12 выполнены гофры 14, высота которых равна величине зазора между пластиной 6 и упругим элементом 2 в областях отсутствия контактных площадок, Экраны 12 выполнены из материала, присадочного к материалам упругого элемента 2 и пластины 6, а наружный радиус кольцевых фрагментов равен наружным радиусам упругого элемента 2 и пластины 6. 2 з.п,ф-лы, 2 ил.

1796931

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках, применяемых для измерения давления в различных областях народного хозяйства.

Известен емкостной датчик давления, содержащий прогибающуюся мембрану и плоскую эталонную пластину. На мембране установлены два кольцеобразных электрода, первый является чувствительным элементом, второй эталонным. Эталонная пластина, обращенная в сторону прогибаемой мембраны, также содержит .чувствительный элемент, выполненный в форме кольцеобразного электрода, который вместе с электродом мембраны образует емкостной датчик. Механическая распорка, установленная в центральной части пространства между, мембраной и эталонной пластиной, поддерживает постоянное расстояние между ними, не препятствуя прогибу мембраны, Эталонная пластина закрывается крышкой, которая по периметру соединяется с мембраной. На крышке укреплен эталонный кольцеобразный электрод, положение которого соответствует эталонному кольцеобразному электроду на мембране. Эти два кольцеобразные электрода образуют эталонный емкостной датчик.

Недостатком известного устройства является сравнительно низкая технологичность, связанная со сложностью процесса присоединения пластины к центральной части мембраны при помощи распорки. Присоединение пластины s такой конструкции требует тщательного выдерживания режимов технологического процесса, так как да. же незначительные отклонения режимов могут вызвать повреждение сравнительно тонкой центральной части мембраны или недостаточно прочное присоединение пластины к мембране и, как следствие, снижают выход годных сборок после этой операции.

Известна конструкция датчика давления, выбранная в качестве прототипа, сод ержащая корпус, упругий элемент с электродами и контактными площадками, закрепленную при помощи сварки с межэлектродным зазором пластину с ответными электродами и контактными площадками и размещенные на контактных площадках на одинаковых расстояниях от зон закрепле. ния пластины и упругого элемента выводные проводники толщиной, равной величине межэлектродного зазора.

Недостатком известной конструкции является сравнительно низкий уровень технологичности, связанный с необходимостью весьма тщательного подбора и соблюдения режимов сварки пластины и упругого элемента. Обычно присоединение пластины осуществляется при помощи лазерной импульсной сварки, которая в наибольшей степени удовлетворяет предъявляемым требованиям в силу минимальности размеров расплавленных ванн, свариваемых материалов и локализации, вследствие этого

10 повышенной температуры в области сварного шва, Но даже лазерная сварка сопровождается разбрызгиванием микрокапель свариваемых материалов, которые, попадая в межэлектродный зазор, приводят к повышению тангенсов диэлектрических потерь и даже полному замыканию электродов. Поэтому даже при точном подборе и соблюдении режимов сварки процесс присоединения пластины к упругому элементу характеризуется

20 ограниченной величиной выхода годных. Другой недостаток известной конструкции связан с тем, что соединение пластины и упругого элемента очень часто сопровождается образованием микротрещин в сварном шве, которые часто приводят к изменению характеристик как в процессе изготовления, так и при эксплуатации датчиков. Кроме того, в известной конструкции отсутствует экранирование выводных проводников в

З0 межэлектродном зазоре, что ухудшает метрологические характеристики, а частности нелинейность градуировочной характеристики.

Целью изобретения является повышеЗб ние технологичности и улучшение метрологических характеристик за счет снижения требований по подбору и соблюдению режимов сварки, устранения попадания расплавленных частиц в межэлектродный

40 зазор за счет повышения качества сварного шва при помощи присадочного материала и осуществления электрического экранирования выводных проводников в межэлектродном зазоре, 46 Указанная цель достигается тем, что в емкостном датчике давления, содержащем корпус, упругий элемент с электродами и контактными площадками, закрепленную с межэлектродным зазором пластину с ответ50 ными электродами и контактными площадками и размещенные на контактных площадках на одинаковых расстояниях от зон закрепления пластины и упругого элемента выводные проводники толщиной. равной величине межэлектродного зазора, в соответствии с изобретением по периферии упругого элемента и пластины в зонах закрепления пластины размещены экраны в виде кольцевых фрагментов, толщины которых не превышают величину зазора между

1796931

15

30

40 пластиной и упругим элементом в областях отсутствия контактных площадок, длина не менее длины эоны закрепления пластины и заодно целое с каждым кольцевым фрагментом по обе стороны от зоны закрепления выполнены две перпендикулярно расположенные им полоски, жестко закрепленные на боковой поверхности упругого элемента или пластины, Кроме того, в соответствии с изобретением нэ экранах выполнены гофры, расположенные концентрично наружным окружностям и вдоль радиусов кольцевых фрагментов по обе стороны от зон закрепления, вне области, ограниченной радиусами кольцевых фрагментов, проведенными в места перехода. кольцевых фрагментов в полости, а высота гофров выполнена равной величине зазора между пластиной и упругим элементом в областях отсутствия контактных площадок.

Кроме того, в соответствии с изобретением экраны выполнены из материала, присадочного к материалам упругого элемента и пластины, а наружный радиус кольцевых фрагментов равен наружным радиусам упругого элемента и пластины, На фиг, 1 и 2 изображен предлагаемый емкостной датчик давления.

Соотношения между размерами межэлектродного зазора, экранов и толщинами диэлекрических и токопроводящих пленок для наглядности изменены.

Емкостной датчик давления содержит корпус 1, упругий элемент 2 с электродами

3 и 4 и контактными площадками 5, закрепленную с межэлектродным зазором пластину 6 с ответными электродами 7 и 8 и контактными площадками 9 и размещенные на контактных площадках на одинаковых расстояниях от зон закрепления 10 пластины и упругого элемента выводные проводники 11,толщиной равной величине межэлектродного зазора. По периферии упругого элемента и пластины в зонах закрепления пластины концентрично краям упругого элемента и пластины размещены экраны 12 в виде кольцевых фрагментов, толщина которых не превышает величину зазора между пластиной и упругим элементом в областях отсутствия контактных площадок, э длина — не менее длины зоны закрепления, При этом экраны не должны касаться контактных площадок. За одно це. лое с кольцевыми фрагментами выполнены перпендикулярно расположенные им полости 13, жестко закрепленные при помощи сварки на боковой поверхности упругого элемента или пластины. В соответствии с п,2 формулц на экранах выполнены гофры

14, расположенные концентрично наружным окружностям кольцевых фрагментов и вдоль радиусов кольцевых фрагментов по обе стороны от зон закрепления, а высота гофров Н выполнена равной величине зазора между пластиной. В соответствии с п.3 формулы экраны выполнены из материала, повышающего качество свариваемого шва, т.е. присадочного к материалам упругого элемента и пластины, а наружный диаметр кольцевых фрагментов равен наружным радиусам элемента и пластины. Упругий элемент выполнен из сплава 36НТХЮ, пластйна из сплава 12Х18Н10Т как более технологичного, т.к, пластина может и не обладать упругими свойствами, необходимыми для упругого элемента, На поверхности пластины и упругого элемента нанесен слой диэлектрической композиции толщиной 1,5 мкм. Для обеспечения присоединения пластины к упругому элементу по периферии упругого элемента и пластины оставлены свободные от диэлектрика кольцевые участки, Электроды и контактные площадки выполнены в виде композиции молибден — никель толщиной 1 мкм. Величина межэлектродного зазора 20 мкм, Выводные проводники выполнены из ленты 79НМ толщиной 20 мкм. Толщина экранов равна 20 мкм, что не превышает величины зазора между пластиной и упругим элементом в областях отсутствия контактных площадок

22 мкм. Длина кольцевых фрагментов составляет 3 мм,что не менее длины зоны закрепления, составляющей 2 мм. Высота гофров равна 22 мкм, В соответствии с п.3 формулы экраны выполнены из сплава

06Х15Н60М15 (ЭП вЂ” 367).

Емкостной датчик давления работает следующим образом.

Измеряемое давление воздействует на мембрану. Под воздействием давления электрод 3, расположенный в области жесткого центра, перемещается в направлении ответного электрода 7 пластины, вследствие чего емкость измерительного конденсатора увеличивается. Емкость эталонного конденсатора (электроды 4 и 8) не зависит от измеряемого давления. Значение емкостей измерительного и эталонного конденсаторов передается при помощи выводных проводников 11 и гермоконтактов 15 на нормирующее устройство (на фиг. не показано), которое формирует выходной сигнал, зависящий от измеряемого давления

Заявляемая конструкция изготавливается следующим образом, На упругом элементе и пластине формируют тонкопленочные электроды и контактные площадки, кэк показано на фиг. 2. На

1796931 одинаковом расстоянии от контактных площадок размещают экраны. Закрепляют эк- 5

15

20 требования по подбору и соблюдению ре- 25 жимов сварки пластины и корпуса, так как

30 зор. Выполнение экранов в виде кольцевых фрагментов позволяет оптимальным образом достигнуть поставленные цели с одно- 50 контактных площадках, например упругого элемента, размещают выводные проводники. B зонах закрепления пластины на раны при помощи приварки их noëoñoê к боковой поверхности упругого элемента.

Прижимают пластину к упругому элементу с определенным усилием и при воздействии этого усилия проводят сварку пластины с упругим элементом в зонах соединения, При изготовлении датчиков по п.2 формулы до установки экранов на них формируют гофры. Причем для повышения технологичности высоту гофров выполняют более или менее произвольно, но обязательно превышающей величину зазора между пластиной и упругим элементом в области отсутствия контактных площадок. После прижатия пластины к упругому. элементу автоматически обеспечивается равенство высоты гофров величине зазора за счет деформации экранов;

8 заявляемой конструкции снижаются при присоединении пластины к упругому элементу при использовании заявляемого решения существенно снижена вероятйость попадания брызг расплавленного металла из зоны соединения в межэлектродные зазоры, в связи с тем в межэлектродные зазоры могут проникнуть только частицы размером не более 2 мкм (при выполнении датчика в соответствии с п.1 формулы). При выполнении датчика в соответствии c Il.2 формулы практически исключается всякое попадание брызг расплавленных материалов в межэлектродный зазор вследствие того, что уже частицы не могут проникнуть в межэлектродный зазор.

Размещение экранов по периферии упругого элемента и пластины, в зонах закрепления пластины концентрично краям упругого элемента и пластины позволяет предотвратить проникновение брызг расплавленных частиц е межэлектродный завременным обеспечением необходимого удобства сборки. 8 случае, если толщина кольцевых фрагментов превысит величину зазора между пластиной и упругим элементом в областях отсутствия контактных площадок, то усилие пружины пластины к упругому элементу будет воздействовать не на выводные проводники, а иа экраны, что приведет к существенному ухудшению технологичности конструкции, Поэтому толщи40

45 на экранов с одной стороны должна не превышать величины зазора, а с другой стороны — быть как можно ближе к величине зазора, т,е. в идеальном случае толщина экранов должна быть точно равна величине зазора. Обеспечение точного значения толщины экранов является довольно сложной технологической задачей, поэтому при выполнении датчика по п.1 формулы толщину экранов выполняют ближайшей возможной к величине зазора.

Длина кольцевых фрагментов выполнена не менее длины зоны закрепления пластины для более полного устранения проникновения брызг расплавленных частиц в межэлектродный зазор, т.к. если длина кольцевых фрагментов будет меньше длины эоны закрепления, то возможно проникновение частиц с боков экранов. Выполнение за одно целое с кольцевыми фрагментами перпендикулярно расположенных им полосок и жесткое закрепление полосок на боковой поверхности упругого элемента или пластины повышает технологичность устройства так, как при отсутствии полосок закрепление кольцевых фрагментов необходимо было бы осуществлять на планарных сторонах упругого элемента или пластины, что, учитывая наличие на этих поверхностях диэлектрика, а также влияние зон закрепления экранов на характеристики межэлектродного зазора, приведет к ухудшению технологичности конструкции. Кроме того, заявляемая форма и местоположение экранов, а также их закрепление при помощи полосок, жестко закрепленных на боковой поверхности упругого элемента или пластины, позволяет в максимальной степени осуществлять экранирование выводных проводников друг or ppyra. Действительно, т.к. экраны соединены с боковыми поверхностями упругого элемента или пластины, то на экранах фактически будет потенциал корпуса, т.к. упругий элемент и пластина фактически соединены с корпусом, А, так как экраны размещены между выводными проводниками, то они осуществляют экранирование выводных проводников друг от друга.

Выполнение гофров на экранах обеспечивает полное исключение попадания брызг расплавленного материала в межзлектродный зазор и максимальчое зкранирование выводных проводников, Расположение гофров концентрично наружным окружностям и вдоль радиусов кольцевых фрагментов по обе стороны от зон закрепления полностью предотвращает попадание брызг при сварке в межэлектродный зазор за счет полной изоляции зоны соединения от межзлектродных зазоров, а также одновременно осуще- .

1796931

15

25

35

40 ствляет экранировэние выводных проводников за счет полного прерывания их электрических полей, Выполнение гофров за границей их взаимного пересечения необходимо для повышения технологичности 5 формирования гофров так, как в этом случае отсутствует необходимость в точном формировании линейных размеров гофров, Кроме того, концентричное и радиальное размещение гофров, а также продолжение гофров за границу их пересечения позволяет повысить технологичность сборки, так как при другом расположении гофров при прижатии пластины будет происходить неравномерная деформация гофров, которая может привести к их смятию и вследствие этого снижению технологичности. Устранению смятия гофров также благоприятствует размещение радиальных гофров вне области, ограниченной радиусами кольцевых фрагментов, проведенными в места перехода кольцевых фрагментов в полоски. Выполнение высоты гофров равной величине зазора между пластиной и упругим элементом в областях отсутствия контактных площадок обеспечивает полную защиту межэлектродных зазоров от попадания брызг при сварке и экранировании выводных проводников.

Выполнение наружного радиуса кольцевых фрагментов равным наружным радиусам .упругого элемента и пластины делает возможным размещение краев экранов непосредственно в зоне сварки, что улучшает процесс сварки, т.к, уменьшает зазор между сэариваемыми деталями. B случае, если радиус кольцевого фрагмента будет меньше наружного радиуса упругого элемента и пластины, край экрана не будет находиться в зоне сварки и условия сварки ухудшаются.

Формула изобретения

1. Емкостной датчик давления, содержащий корпус, упругий элемент с электродами и контактными площадками, закрепленную с межэлектродным зазором пластину с ответными электродами и контактными площадками и размещенные на контактных площадках на одинаковых расстояниях от зон закрепления пластины и упругого элемента выводные проводники толщиной, равной величине межэлектродного зазора, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности и улучшения

Если наружный радиус кольцевых фрагментов будет больше наружного радиуса упругого элемента и пластины, то край кольцевого фрагмента будет выступать за края упругого элемента и пластины, что тоже ухудшит условия сварки, а следовательно, и технологичность, Выполнение экранов из присадочного материала улучшает качество сварного шва, устраняет возможность появления в нем трещин. Таким образом, в заявляемой конструкции экраны совмещают функции отражателей брызг расплавленных частиц, возникающих при сварке, электрических экранов между выводными проводниками и присадочного материала для исключения появления микротрещин.

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого емкостного датчика давления, по сравнению с прототипом. является повышение технологичности за счет исключение попадания брызг расплавленных материалов в межэлектродные зазоры при присоединении пластины к упругому элементу. Другим преимуществом заявляемой конструкции является повышение технологичности за счет снижения требований по подбору и соблюдению режимов сварки, Технологичность заявляемой конструкции повышается также зэ счет повышения качества сварного шва в месте соединения пластины и упругого элемента, устранения возможности появления микротрещин в зоне сварки за счет выполнения экранов из присадочного материала. Преимуществом зая вляемой.конструкции является также улучшение метрологических характеристик вследствие электрического экранирования выводных проводников при помощи экранов. метрологических характеристик, по периферии упругого элемента и пластины в зонах закрепления пластины концентрично краям упругого элемента и пластины размещены экраны в виде кольцевых фрагментов, толщины которых йе превйшают величины зазора между пластиной и упругим элементом в областях отсутствия контактных площэдок, а длины кольцевых фрагментов — не менее длины эоны закрепления пластины, причем зз одно целое с каждым кольцевым фрагмейтом по обе стороны от зоны закрепления выполнены две перпендикулярно рэсположеиные им полоски, жестко закреп11

1796931 ленные на боковой поверхности упругого элемента или пластины.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что на экранах выполнены гофры, расположенные концентрично краям и вдоль радиусов кольцевых фрагментов по обе стороны от зон закрепления вне области, ограниченной радиусами кольцевых фрагментов, проведенными в места перехода кольцевых фрагментов в полоски, а высота гофров выполнена равной величине зазора между пластиной и упругим элементом в областях отсутствия контактных площадок, 3. Датчик по пп.1 и 2, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что экраны выполнены из материала, присадочного к материалам упругого элемента и пластины, а наружный радиус кольцевых фрагментов равен наружным радиусам упругого элемента и пластины.